内容介绍

基于STEP Baseboard4.0底板+STEP MXO2 LPC核心板的交通灯控制系统项目报告

1. 项目概述

本项目基于STEP Baseboard4.0底板和STEP MXO2 LPC核心板，设计并实现了一个交通灯控制系统。该系统通过数码管显示计时信息，蜂鸣器进行报警提示，接近传感器检测行人靠近，环境光感知模块自动控制路灯的开关。项目结合了硬件设计与软件编程，实现了交通灯系统的智能化控制。

2. 硬件介绍

2.1 STEP Baseboard4.0底板

STEP Baseboard4.0底板是一个功能丰富的开发平台，提供了多种外设接口，包括数码管、蜂鸣器、按键、LED灯等。底板的扩展性强，适合用于各种嵌入式系统的开发。

2.2 STEP MXO2 LPC核心板

STEP MXO2 LPC核心板基于Lattice MXO2 FPGA芯片，具有低功耗和高性能的特点。核心板支持Verilog硬件描述语言编程，能够实现复杂的逻辑控制和信号处理。

2.3 数码管

数码管用于显示交通灯的计时信息，能够直观地展示红灯、绿灯和黄灯的剩余时间。通过图形化编程，数码管的显示内容可以根据交通灯的状态动态更新

2.4 蜂鸣器

蜂鸣器用于在特定情况下发出报警信号，例如当计时器为0时。蜂鸣器的控制通过图形化编程实现，能够根据系统状态发出响声。

2.5 接近传感器

接近传感器用于检测是否有行人靠近交通灯。当传感器检测到行人时，系统会做出相应的反应，例如蜂鸣器报警。接近传感器的信号处理通过Verilog硬件描述语言实现。

2.6 环境光感知模块

环境光感知模块用于检测周围环境的光线强度，并根据光线强度自动控制路灯的开关。当环境光较暗时，系统会自动点亮路灯；当环境光较亮时，系统会自动关闭路灯。环境光感知模块的控制逻辑通过Verilog实现。

3. 方案框图和设计思路

3.1 方案框图

任务一：https://www.stepfpga.com/project/17714/gui?type=top（图形化链接）

任务二：

3.2 设计思路

数码管显示模块：通过图形化编程，将交通灯的计时信息实时显示在数码管上。数码管显示的内容包括红灯、绿灯和黄灯的剩余时间。
蜂鸣器报警模块：当计时器计时为0时，蜂鸣器会发出报警信号。报警信号通过图形化编程控制。
接近传感器模块：通过Verilog编程，接近传感器检测行人靠近交通灯的情况。当检测到行人时，系统会做出相应的反应，俩个LED灯熄灭。
环境光感知模块：通过Verilog编程，环境光感知模块检测周围环境的光线强度，并根据光线强度自动控制路灯的开关。

4. 关键代码介绍

软件流程图

任务一和二：

任务三和四：

任务一和二：

always @(posedge clk or negedge rst) begin
    if (!rst) begin
        // 异步复位
        countdown <= 6'd59; // 初始化为59秒
        tens <= 4'd5;       // 十位数初始化为5
        units <= 4'd9;      // 个位数初始化为9
        enable<=0;
    end else if(clk_1Hz) begin
        // 每个时钟周期减1
        if (countdown == 0) begin
            // 如果倒计时归零，重新开始
            countdown <= 6'd0; // 重置为59秒
            tens <= 4'd0;       // 十位数重置为5
            units <= 4'd0;      // 个位数重置为9
            enable<=1;
        end else begin
            // 倒计时减1
            countdown <= countdown - 1;

            // 更新十位和个位
            if (units == 0) begin
                // 如果个位为0，十位减1，个位重置为9
                tens <= tens - 1;
                units <= 4'd9;
            end else begin
                // 个位减1
                units <= units - 1;
            end
        end
    end
end
always @(posedge clk or negedge rst) begin
    if (!rst) begin
        seg_data_1<=4'd5;
        seg_data_2<=4'd9;
    end
    else begin
        seg_data_1<=units;
        seg_data_2<=tens;
    end
end

任务三和四：

module decoder
(
    input [15:0]	prox_dat,//接近寄存器数据
    input [15:0]   ch0_dat,//光强寄存器1数据
    input [15:0]   ch1_dat,//光强寄存器2数据
    output reg Low_Light_Flag,
    output reg Close_Flag
);

always @(prox_dat) begin
    if(prox_dat>=350)
        Close_Flag<=1;
    else
        Close_Flag<=0;
end

always @(ch0_dat or ch1_dat) begin
    if(ch0_dat<=5 && ch1_dat<=5)
        Low_Light_Flag<=1;
    else
        Low_Light_Flag<=0;
end

endmodule

module led_control
(
	input clk,
	input rst,
    input Low_Light_Flag,
    input Close_Flag,
    output reg led1,
    output reg led2
);

always @(posedge clk or negedge rst) begin
    if(!rst) begin
        led1<=1;
        led2<=1;
    end
    else begin
        if(Low_Light_Flag)
            led1<=0;
        else 
            led1<=1;
        if(Close_Flag)
            led2<=0;
        else
            led2<=1;
    end
end

endmodule

5. 功能展示图及说明

5.1 数码管显示

数码管实时显示交通灯的计时信息，红灯、绿灯和黄灯的剩余时间清晰可见

5.2 蜂鸣器报警

见视频

5.3 接近传感器检测

接近传感器能够准确检测到行人靠近交通灯的情况，并根据检测结果使俩个LED亮起。

5.4 环境光感知

环境光感知模块能够根据周围环境的光线强度自动控制路灯的开关，确保夜间或光线不足时的交通安全

6. 项目中遇到的难题和解决方法

6.1 难题一：倒计时出错

问题描述：在倒计时功能实现过程中，发现倒计时有时会出现跳变或卡顿现象，例如从10秒直接跳到8秒，或者倒计时停止不动。
解决方法：

检查计时逻辑：发现倒计时逻辑中存在时钟信号处理不当的问题，导致计时不准确。通过优化时钟分频逻辑，确保了计时信号的稳定性。
增加同步机制：在倒计时切换时增加了同步机制，确保倒计时能够平滑过渡，避免了跳变现象。
调试与测试：通过多次调试和测试，逐步优化了倒计时的代码逻辑，最终解决了倒计时出错的问题。

6.2 难题二：数码管引脚匹配错误

问题描述：在硬件连接过程中，数码管的引脚与核心板的引脚匹配错误，导致数码管无法正常显示内容，甚至出现部分段位不亮的情况。
解决方法：

检查硬件连接：通过查阅数码管和核心板的引脚定义文档，重新核对了引脚连接，确保每一根信号线都正确连接。
修改驱动代码：根据正确的引脚定义，修改了数码管的驱动代码，确保信号能够正确传输到数码管的对应段位。
分段测试：通过分段测试，逐步验证了每一段数码管的显示功能，确保所有段位都能正常工作。

6.3 难题三：RPR-0521RS模块不熟悉

问题描述：在项目初期，对RPR-0521RS环境光感知模块的使用不熟悉，导致无法正确读取光线强度数据，甚至出现了模块无法正常工作的情况。
解决方法：

查阅文档：通过仔细阅读RPR-0521RS模块的技术文档，了解了其工作原理、通信协议和寄存器配置方法。
调试通信接口：使用逻辑分析仪调试了I2C通信接口，确保核心板能够正确与RPR-0521RS模块进行通信。
编写测试代码：编写了简单的测试代码，逐步验证了模块的光线强度读取功能，确保其能够正常工作。

7. 心得体会

7.1 独立完成项目的收获

技术能力的提升
作为一个独立完成的项目，我需要同时兼顾硬件设计和软件编程的各个方面。这让我对Verilog硬件描述语言、图形化编程、传感器数据处理、硬件调试等技术有了更深入的理解。特别是在环境光感知模块（RPR-0521RS）的使用中，我从完全陌生到熟练掌握，这个过程极大地提升了我的学习能力和技术实践能力。
问题解决能力的增强
在项目中，我遇到了许多意想不到的问题，例如数码管显示不稳定、接近传感器误检测等。这些问题让我意识到，在实际开发中，问题的出现是不可避免的，关键在于如何快速定位问题并找到解决方案。通过查阅技术文档、调试代码和优化硬件连接，我逐渐掌握了解决问题的方法和思路。

7.2 独立完成项目的挑战

1. 问题排查的难度
在独立完成项目时，问题的排查往往更加困难，因为没有团队成员可以讨论和分担压力。例如，在数码管显示不稳定的问题中，我需要同时检查硬件连接和软件代码，这让我花费了大量的时间和精力。

2. 技术盲区的存在
在项目中，我遇到了一些技术盲区，例如RPR-0521RS模块的使用。由于之前没有接触过这个模块，我需要从头学习其工作原理和编程方法，这增加了项目的难度和时间成本。

7.3 意见与建议

硬件资源
建议在未来的项目中提供更多的硬件资源，例如更多的传感器模块和扩展接口，以便实现更复杂的功能。丰富的硬件资源可以让项目更加多样化，也能激发更多的创意。
开发工具
希望开发工具能够更加完善，提供更多的调试和分析功能，例如集成逻辑分析仪和实时调试工具。这些工具可以大大提高开发效率，减少调试时间。
项目时间
建议延长项目开发时间，以便有更多的时间进行测试和优化，确保项目的稳定性和可靠性。独立完成项目需要更多的时间来排查问题和优化细节，因此充足的时间是非常必要的。
培训与支持
建议在项目开始前提供更多的技术培训和支持，特别是对于不熟悉的硬件模块（如RPR-0521RS），以便更快上手。技术培训可以帮助开发者更快地掌握新知识，减少学习成本。
文档与示例代码
希望未来能够提供更详细的技术文档和示例代码，特别是针对一些复杂的硬件模块。详细的文档和示例代码可以帮助开发者更快地理解模块的使用方法，减少调试时间。

7.4 总结

总的来说，本次项目让我受益匪浅，不仅提升了我的技术能力，也增强了我的问题解决能力和自主学习能力。作为一个独立完成的项目，我从中体会到了独立开发的挑战和乐趣，也让我更加自信地面对未来的技术难题。虽然在项目过程中遇到了许多困难，但每一次问题的解决都让我感到成就感满满，也让我更加坚定了继续学习和探索的决心。

希望在未来的项目中，我能够继续学习和成长，探索更多有趣的技术和应用。